Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ способов расчета параметров процесса резания при токарной обработке коррозионно-стойких сталей
1.1 Анализ существующих аналитических зависимостей для расчета высоты микронеровностей поверхности при токарной обработке корро-зионностойких сталей
1.2 Расчет параметра Ra по различным источникам, сравнение расчетных значений с измеренными при обработке сталей разными марками твердосплавного инструмента
1.3 Анализ способов расчета составляющих силы резания при точении заготовок из коррозионностойких и жаропрочных сталей, сравнение расчетных данных с измеренными величинами
1.4 Анализ существующих математических зависимостей для расчета скорости резания при токарной обработке коррозионностойких сталей
1.5 Недостатки существующих расчетных зависимостей. Выводы. Постановка задач исследования
ГЛАВА 2. Методика проведения экспериментальных исследований
2.1. Описание экспериментальной установки 36
2.2 Методика измерения термоЭДС пробного рабочего хода 37
2.3 Методика измерения параметра шероховатости Ra обработанной поверхности заготовки
2.4 Выбор обрабатываемых материалов, режущего инструмента 40
2.5. Методика проведения растровой электронной микроскопии
2.6 Методика измерения силы резания 47
2.7 Статистическая обработка экспериментальных данных 49
Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Способы предварительной оценки свойств контактных пар «твёрдосплавный инструмент - обрабатываемые стали» и возможности использования их при расчёте параметров процесса резания
3.1. Способы предварительной оценки сочетания свойств контактных пар «твёрдосплавные инструменты - обрабатываемые стальные заготовки»
3.2. Физические основы использования информативной способности сигнала естественной термопары в условиях пробного рабочего хода для оценки свойств контактных пар
3.3. Физические основы связи термоЭДС пробного рабочего хода с теплопроводностью контактных пар
Выводы по главе 3 72
ГЛАВА 4. Контактные процессы при токарной обработке сталей с позиций условной и реальной схемы резания и их влияние на силы резания
4.1. Условная схема резания (схема стружкообразования) 74
4.2. Реальная схема резания 77
4.3. Физические основы механизма изменения контактных процессов при смене теплофизических характеристик пары твердый сплав – сталь
4.4. Экспериментальное исследование влияния скорости резания на составляющие силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей
4.5. Факторы, определяющие точность расчёта составляющих силы резания
4.6. Разработка математических моделей по расчёту составляющих силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей на основе дополнительного информационного показателя
Выводы по главе 4 102
ГЛАВА 5. Исследование механизма формирования высоты микронеровности обработанной поверхности при точении коррозионностойких сталей и разработка математической модели расчёта её величины
5.1 Влияние подачи, глубины резания и геометрических параметров 104 резца на высоту микронеровности
5.2. Исследование влияния скорости резания на характер изменения высоты микронеровности
5.3 Механизм формирования микронеровностей при однолезвийной обработке
5.4. Использование растровой электронной микроскопии при исследовании механизма формирования микронеровности
5.5. Разработка расчетной модели величины Ra при токарной обработке 119 с использованием оперативной информации о свойствах каждой контактной пары (сигнала термоЭДС пробного рабочего хода) 5.6 Разработка блок-схемы алгоритма автоматизированного расчета па- 122 раметра Ra
Выводы по главе 5 125
ГЛАВА 6. Обеспечение точности определения скорости резания при точении коррозионностойких сталей
6.1. Факторы, определяющие точность расчёта скорости резания при токарной обработке коррозионностойких сталей
6.1.1. Твёрдосплавный инструмент как самое слабое звено в технологической системе
6.2. Разработка способа автоматизированного выбора скорости обработки коррозионностойких сталей на основе предварительной информации о свойствах контактных пар
6.3. Решение обратной задачи по прогнозированию стойкости твёрдосплавного инструмента 6.4. Алгоритм решения прямой и обратной задачи при выборе скорости 139
резания и периода стойкости инструмента
Выводы по главе 6 143
Выводы и результаты по работе 144
Список использованной литературы
- Анализ способов расчета составляющих силы резания при точении заготовок из коррозионностойких и жаропрочных сталей, сравнение расчетных данных с измеренными величинами
- обрабатываемых материалов, режущего инструмента
- Физические основы использования информативной способности сигнала естественной термопары в условиях пробного рабочего хода для оценки свойств контактных пар
- Экспериментальное исследование влияния скорости резания на составляющие силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Эффективность процесса металлообработки, как на универсальном, так и на автоматизированном станочном оборудовании во многом зависит от величин расчётных значений основных параметров, определяемых при проектировании технологического процесса таких как составляющие силы резания, величина шероховатости, стойкость инструмента. Неточности расчёта или отсутствие моделей расчёта негативно сказываются на обеспечении эффективности автоматически выполняемого процесса резания.
С развитием техники все большее применение находят материалы, обладающие специальными свойствами. Примером таких материалов являются коррози-онностойкие стали, которые широко используется в различных отраслях промышленности. Особенность теплофизических характеристик этих сталей состоит в том, что в процессе механической обработки они имеют иной характер изменения теплопроводности от температуры резания (скорости резания), т.е. теплопроводность коррозионностойких сталей с повышением температуры резания (скорости резания) не уменьшается, а растет. Справочно-нормативная литература по токарной обработке этого класса сталей не в полной мере располагает математическими моделями по расчёту указанных параметров. Степень использования представленных материалов в промышленности велика, поэтому исследования посвященные обеспечению точности расчёта основных параметров процесса токарной обработки коррозионностойких сталей являются актуальными.
Цель работы. Обеспечение эффективности токарной обработки коррозион-ностойких сталей с использованием автоматизированного способа расчета.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Провести анализ точности расчёта указанных параметров по источникам научно-технической и справочно-нормативной литературы и выявить возможность использования их для автоматизированного расчета параметров процесса токарной обработки, в первую очередь, для автоматически выполняемого процесса резания. При наличии больших расхождений расчётных и фактических значений выяснить
причины этих расхождений и наметить пути устранения.
-
В целях реализации концепции, выдвинутой профессором Старковым В.К. об обеспечении точности расчёта параметров процесса резания на основе получения предварительной информации о свойствах режущего инструмента и свойствах стальной заготовки, провести анализ существующих способов предварительной оценки свойств контактных пар «коррозионностойкие стали – твёрдосплавный инструмент» и обосновать выбор способа.
-
Исследовать влияние теплопроводности обрабатываемых сталей и теплопроводности режущего твёрдосплавного инструмента (их сочетания) на механизм образования микронеровностей при токарной обработке коррозионностойких сталей в широком диапазоне изменения скорости резания.
-
Исследовать влияние теплопроводности обрабатываемых сталей и теплопроводности режущего твёрдосплавного инструмента на величину составляющих силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей.
-
Разработать уточнённые математические зависимости по расчёту параметра шероховатости Ra, составляющих силы резания, скорости резания для условий получистовой и чистовой токарной обработки коррозионностойких сталей с введением в математические модели оперативного параметра о свойствах инструмента и стальной заготовки, адаптированные к использованию их в станках с ЧПУ.
-
Провести сравнительные исследования по оценке точности расчёта Ra, Px, Py, Pz и скорости резания по предложенным уточнённым математическим моделям в условиях получистового и чистового точения коррозионностойких сталей.
7. На основе предложенных (уточненных) зависимостей разработать программы
для ЭВМ и алгоритмы автоматизированного расчёта величины Ra, составляющих
силы резания Px, Py, Pz и скорости резания.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования проводились на основе современных положений теории резания металлов, материаловедения, диагностики и надежности систем, а также методов планирования экспериментов с применением регрессионного анализа. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных условиях с использованием специализированных прикладных программ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые показано, что при неизбежном, допускаемом разбросе свойств твёр-досплавного инструмента и стальных заготовок, причиной значительных ошибок (40-90 % и более) в существующих моделях расчёта параметров процесса токарной обработки коррозионностойких сталей является отсутствие в них оперативной информации о теплофизических свойствах каждой новой контактной пары, ориентация их на средние значения из допустимого по ТУ диапазона разброса.
-
Установлена и экспериментально доказана связь сигнала термоЭДС предварительного пробного (тестового) рабочего хода контактной пары «инструмент – заготовка» с её теплофизическими характеристиками, определяющими количественные величины основных параметров процесса резания коррозионностойких сталей. Предложено использовать информативную способность сигнала естественной пары (термоЭДС пробного рабочего хода) «инструмент – заготовка» в математических моделях по расчету параметра шероховатости Ra, силы резания и скорости резания как комплексную характеристику всего допустимого диапазона разброса механических и теплофизических свойств контактных пар.
-
Разработаны и обоснованы уточнённые математические модели расчета параметра шероховатости Ra, силы резания и скорости резания при точении коррозион-ностойких сталей с использованием сигнала термоЭДС пробного рабочего хода естественной термопары «инструмент – заготовка», как характеристики механических и теплофизических свойств всего диапазона сочетаний инструментального и обрабатываемого материалов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Приведены рекомендации по применению уточнённых математических моделей расчета параметра шероховатости Ra, силы резания, скорости резания для решения задач управления стабильностью и качеством процесса токарной обработки кор-розионностойких сталей.
-
Разработаны алгоритмы работы модулей расчета параметра шероховатости Ra, силы резания, скорости резания при токарной обработке коррозионностойких сталей, которые могут служить основой для аппаратной и программной реализации их
работы для автоматизированного расчета параметров процесса резания в работе специализированных блоков систем ЧПУ класса PC-NC.
3. Разработан пакет прикладных программ, который может быть использован для автоматизации расчета параметров шероховатости Ra, силы резания, скорости резания при выполнении получистовых и чистовых операций точения коррозионно-стойких сталей.
Апробация результатов исследования: Основные результаты диссертационной работы были представлены в научных конференциях: Международная научно-практическая конференция «Инновация-2013» (г. Ташкент, 2013); XI Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2013); III Международная научная конференция «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (г. Москва, ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН [и др.], 2014); I Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы в машиностроении» (г. Новосибирск, 2014); 50-52 внутривузовские научные конференции на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета (г. Волгоград, 2013 – 2015 гг.).
Научные и практические результаты работы реализованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы № 35–53/445–2–12 «Разработка математического и программного обеспечения работы модуля расчета параметра шероховатости (качества поверхности) в САПР ТП механической обработки» и научно-исследовательской работы «Обеспечение качества обработанной поверхности на токарных и фрезерных станках с ЧПУ» (грант ВолгГТУ, 2013). Разработки используются в учебном процессе при выполнении курсовых работ по дисциплине «Программное управление станками и комплексами».
Публикации.
По материалам диссертационного исследования опубликована 21 работа, в том числе 9 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, 1 монография.
Получен 1 патент на изобретение. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы (98 наименований), приложений. Работа изложена на 162 страницах, содержит 44 рисунка, 29 таблиц.
Анализ способов расчета составляющих силы резания при точении заготовок из коррозионностойких и жаропрочных сталей, сравнение расчетных данных с измеренными величинами
По формуле (1.8) обратным пересчетом можно определить значение допустимой подачи, задавшись требуемым значением показателя шероховатости обрабатываемой поверхности и рекомендуемыми режимами резания для нужного вида обработки, однако степенные коэффициенты и показатель твердости НВ являются усредненными справочными данными. Поэтому для обеспечения точности расчета по данной зависимости необходимо каждый раз для конкретных условий обработки экспериментально устанавливать степенные коэффициенты и измерять твердость обрабатываемого материала, что является препятствием при использовании формулы (1.8) в режиме автоматизированного расчета.
В настоящее время существуют и другие способы обеспечения заданной величины шероховатости поверхности заготовки. Одним из способов, является способ включающий регистрацию сигнала акустической эмиссии, по которому определяется значение шероховатости поверхности заготовки [41]. Согласно способу производят регистрацию сигнала акустической эмиссии и определяют по нему значение шероховатости заготовки, причем определяют площадь спектра сигнала акустической эмиссии, а о величине шероховатости судят по отношению площадей спектров зарегистрированного сигнала акустической эмиссии и определенного заранее эталонного сигнала акустической эмиссии. Физически способ основан на том, что в процессе формирования поверхности заготовки происходит возникновение акустических импульсов широкого частотного диапазона (0,1 - 1,0 МГц), которые отображают процессы деформации и разрушения обрабатываемого материала. Интегральной характеристикой изменений в состоянии поверхности заготовки, учитывающей одновременное прохождение процессов деформации и разрушения (формирование обработанной поверхности заготовки), является площадь спектра акустической эмиссии.
Существует метод автоматического обеспечения шероховатости поверхности при механообработке наружных поверхностей на базе динамического мониторинга с использованием искусственных нейронных сетей [37]. Для этого метода разработан алгоритм управления, обеспечивающий автоматическое достижение заданной величины микронеровности обработанной поверхности. Предложенный алгоритм и его программная реализация позволяют на основе требований чертежа (Ra, Sm), используя технологический банк данных, получить фрактальную математическую модель профиля поверхности и назначить наиболее оптимальные режимы обработки для конкретного оборудования. По данному алгоритму можно непрерывно в процессе обработки оценивать шероховатость поверхности с учетом динамического состояния технологической системы и корректировать режимы обработки. Вместе с контролем шероховатости поверхности, производится и контроль состояния режущего инструмента.
В работе Д. И. Петрешина [43] для решения данной проблемы при обработке широкой номенклатуры сталей предлагаются адаптивные самообучающиеся технологические системы управления параметрами качества обработанной поверхности деталей машин (СТСАУ). Работа СТСАУ заключается в получении математической модели, связывающей условия обработки и параметры качества обработанной поверхности, и использование полученной модели для управления технологической системой по любому из параметров качества. Связь между параметром шероховатости Ra и управляющими переменными S и V выражается моделью вида: Ra — CrSxrVyr, (1.9) где С г, хг, уг - коэффициенты модели; S – подача, мм/об; V – скорость резания, м/мин. Алгоритм работы системы включает основные режимы работы системы: «Ввод и анализ исходных данных»; «Работа с базой данных»; «Обучение»; «Работа». Режим «Ввод и анализ исходных данных», необходим для ввода и анализа исходных данных в начале обработки. Под исходными данными понимаются: материал заготовки, геометрия инструмента, режимы резания, жесткость технологической системы, значение требуемого параметра качества обработанной поверхности. По введенным данным система ищет в базе данных соответствующую им математическую модель.
Режим «Работа с базой данных» создан для хранения информации об обработанных материалах, условиях обработки и соответствующих им полученных математических моделях. Если такой математической модели нет, то система автоматически переходит в режим «Обучение». Полученная математическая модель сохраняется в базе данных и используется в дальнейшем. При изменении инструмента, его геометрии, материала деталей, глубины резания и т.п. система вновь производит самообучение. По режиму «Работа» происходит адаптивное управление технологической системой по требуемому параметру качества обработанной поверхности таким образом: от датчиков, установленных около зоны резания, поступает измерительная информация, производится ее анализ, на основе которого регулируется управление технологической системой. Способ является перспективным и направлен на широкое использование в металлообработке.
В работе В. И. Завгороднего [17] рассмотрены вопросы повышения производительности и качества деталей из труднообрабатываемых сплавов типа дисков, кольцевых и корпусных деталей, которые обрабатываются на станках с ЧПУ, за счет внедрения системы диагностирования и контроля состояния обработанной поверхности по косвенному диагностическому признаку – отношению амплитуд виброакустических сигналов (ВА-сигналов) из зоны резания. В качестве обрабатываемых материалов в работе использова-17 лись сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437Б), ХН73МБТЮР (ЭИ698), ВТ9, а также стали 12Х18Н10Т и 20ХН3А. При исследовании ВА-сигналов из зоны резания применялся комплект аппаратуры для измерения виброускорений, записи спектров и обработки результатов измерений.
Недостаток методов управления качеством поверхности, основанных на виброакустических сигналах в том, что сигнал виброакустики чувствителен к жесткости системы станок – приспособление – инструмент – заготовка (СПИД) и зависит от усилий зажима заготовки в приспособлении. При смене базирования заготовки в процессе обработки сложно с точно одинаковым усилием закреплять заготовку в приспособлении. Данное обстоятельство способствует возникновению неточностей показаний шероховатости и износа инструмента, измеренных по виброакустическому сигналу. Методики, используемые в способах [41], [37], [43], [17], невозможно применить на стадиях проектирования технологических процессов металлообработки.
обрабатываемых материалов, режущего инструмента
Статистический анализ экспериментальных данных проводился в соответствии с методикой описанной в литературных источниках [2], [16], [25], [36], [62], [69]. Целью данной методики является повышение точности результатов экспериментальных исследований при помощи математических зависимостей: 1. Среднее арифметическое значение случайной величины у вычисля ется по формуле: — 1 У = АиУ, , (2.1) где у І - экспериментальные значения случайной величины; п - общее число экспериментов. 2. Для оценки рассеяния измеренных значений случайной величины yt от ее среднего значения у рассчитывается дисперсия D и стандартное отклонение случайной величины. Для эмпирического распределения дисперсия D определяется по формуле: п X (У І У)2 D = —1, (2.2) п-1 где у - среднее арифметическое значение случайной величины. На практике же используют саму дисперсию D, а стандартное отклонение , так как оно имеет размерность этой случайной величины. Стандартное отклонение определяется по формуле: п Z(x У)2 (2.3) ;=1 ст = JD = п-1 3. Коэффициент вариации определяет точность экспериментальных исследований и операций технологического процесса. Коэффициент вариации определяется отношением стандартного отклонения к математическому ожиданию случайной величины у. Эмпирически коэффициент вариации рассчитывается по формуле: где - стандартное отклонение случайной величины. 4. Доверительный интервал и ошибка определения среднего значения измеренной величины. При ограниченном количестве испытаний указывает ся степень точности количественных оценок генеральных совокупностей и назначается доверительный интервал: у-Ау у у + Ау, (2.5) где у - ошибка определения среднего значения у. При этом задается параметр доверительной вероятности Р, с которой истинные значения у попадают в доверительный интервал. Величина у называется ошибкой определения среднего значения у и определяется по критерию Стьюдента: Ау = ± кр , (2.6) где tкр - критическое значение коэффициента Стьюдента при доверительной вероятности Р и степени свободы f = п- 1 (находится по справочным данным [62], [69]).
Доверительная вероятность случайного события определяется по формуле: Р = 1-а, (2.7) где - уровень значимости случайного события (или уровень риска). 5. Количество необходимых испытаний. Для анализа точности оценки среднего значения измеряемого параметра у необходимо достаточное коли чество испытаний п, чтобы вероятность отклонения этого значения у на ве личину превышающую ошибку у была бы меньше заданного значения до верительной вероятности Р. В общем случае необходимое количество опытов может быть найдено по формуле:
Оценка грубых ошибок. Из всей картины полученных эксперимен тальных данных, некоторые значения могут быть не достоверными. В на стоящее время существует ряд критериев, позволяющих объективно оцени вать полученные результаты. Наиболее удобным является критерий Груббса. По результатам экспериментов определяется стандартное отклонение , и со ставляются безразмерные дроби:
После чего в зависимости от числа испытаний п и доверительной вероятности Р находится значение кр по таблице литературного источника [78]. В случае если min кр и max кр, то уmin и уmax считают грубыми ошибками и их следует исключить, в противном случае с доверительной вероятностью Р их можно считать достоверными.
Удобство применения этого критерия в том, что из всего диапазона измеренных значений можно определить минимальное и максимальное значения, проверить их на достоверность, и в случае если эти значения таковыми являются, то с определенной доверительной вероятностью Р можно утверждать, что остальные значения из этого диапазона также достоверны.
Оценка различия между двумя средними значениями. Оценка результатов экспериментальных исследований проводится по средним значениям, т.к. экспериментальные исследования имеют случайный характер.
При обработке экспериментальных данных необходимо проверять значимость различий средних значений, для того чтобы судить о том, объясняется ли это различие случайным разбросом данных или различие этих значений существенно.
В общем случае значимость различий двух средних значений можно проверить с помощью t - критерия (критерия Стьюдента): У 1 У 2 f ZZ \ (2.12) где y1 – среднее значение параметра в одном опыте; y2 – среднее значение параметра в другом опыте; n1 – количество опытов в первом опыте; n2 – количество опытов во втором опыте. После вычисления отношения t задается желаемая вероятность вывода P, и по ней находится соответствующее значение t [62]. В случае если величина t t , то с доверительной вероятностью P можно считать, что расхождение средних значений является значимым (неслучайным). Если t t , то отклонение средних значений можно считать случайным [83]. Выводы по главе 2
Применение описанной методики проведения экспериментальных исследований позволило получить достоверные результаты при токарной обработке. Описание методов обработки экспериментальных данных, при исследовании качества процессов механической обработки, вынесено отдельными разделами в главы 4 и 5.
Физические основы использования информативной способности сигнала естественной термопары в условиях пробного рабочего хода для оценки свойств контактных пар
Общая длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента С (рисунок 4.3), разделяется на участки пластического контакта С1 и вязкого (упругого) контакта С4. В свою очередь, участок пластического контакта С1 состоит из участков упрочнения С2 и разупрочнения С3. В реальной схеме процесс пластического деформирования срезаемых объемов стали совершается во времени или по пути перемещения этих объемов от начальной границы зоны стружкообразования РL до конечной границы KM. Эти границы параллельны и расположены друг относительно друга на конечном расстоянии Сс. Зона стружкообразования представляет собой семейство параллельно расположенных плоскостей сдвига, по мере пересечения которых при движении по кривой AB, каждый объем стали последовательно деформируется.
Одним из принципиальных отличий контактного взаимодействия формирующейся стружки с передней поверхностью инструмента от известного процесса внешнего трения является то, что на участке пластического контакта C1, внешнее трение заменяется контактным пластическим течением стали по аналогии с гидродинамикой. Таким течением охватывается прилегающая к поверхности инструмента незначительная часть толщины стружки. Верхняя граница зоны пластического течения для всех условий резания имеет вид кривой PKR (рисунок 4.3). Эта зона названа зоной контактных пластических деформаций. В отечественной литературе по резанию металлов эта зона называется зоной вторичных пластических деформаций. В работе [76] установлено, что процессы пластического деформирования стали в зоне стружкооб-разования и на участке упрочнения зоны контактных пластических деформаций протекают параллельно, взаимосвязаны между собой и являются высокоскоростным пластическим деформированием.
В ходе пластического деформирования элементарного объема стали (перемещение по кривой AB зоны стружкообразования (рисунок 4.3)) после-79 довательно растет степень деформации и скорость деформации, что в сумме приводит к росту упрочненного состояния, т.е. к росту сопротивления пластическому деформированию тс. При этом растёт температура и когда она достигает уровня температуры Дебая, прекращается упрочнение (конец участка упрочнения точка К), начинается разупрочнение (линия KR). Равенство двух конкурирующих процессов упрочнения и разупрочнения определяет условие образования сливных стружек.
Изменение упрочненного состояния стали в зоне контактных пластических деформаций в отличие от зоны стружкообразования протекает по иному. В пределах участка упрочнения С2 от точки Р до точки Т интенсивность деформационного упрочнения выше интенсивности температурного разупрочнения. На этом участке сопротивление пластическому деформированию растет. При этом повышается температура и в точке Т интенсивность двух процессов становится равной. При дальнейшем росте температуры происходит уменьшение интенсивности деформационного упрочнения и повышается интенсивность температурного разупрочнения до точки R (участок разупрочнения TR–С3). Экспериментальная кривая изменения упрочненного состояния стали (сопротивления пластическому деформированию) по всей длине пластического контакта представлена на рисунке 4.3 в). В работе [76] подчёркивается, что степень упрочнения металла в зоне контактных пластических деформаций значительно выше, чем в зоне стружкообразования. В реальной схеме указано на решающую роль температуры (тепловыделения и стока тепла) на размер участка упрочнения и разупрочнения (размер пластического контакта). При этом в работе отмечена и физически обоснована закономерность: увеличение теплопроводности хотя бы одной из контактируе-мых пар (обрабатываемого или инструментального материала) увеличивает в первую очередь касательную силу F. Эта закономерность прямо противоположна влиянию на горизонтальные составляющие силы резания механиче ской прочности стали и необъяснима с позиций условной схемы стружкооб-разования.
Реальная схема стружкообразования учитывает и влияние зоны упругого контакта (участок G/ на рисунке 4.2) на контактные характеристики процесса резания, но не через коэффициент трения LI, а через теплоту трения, выделяемую на этом участке. Эта доля тепла вместе с теплотой, выделившейся в результате пластического деформирования металла в зоне стружкообразования и с тепловым выделением в зоне контактных пластических деформаций формирует температурный уровень разупрочнения сталей на участке С2.
На рисунке 4.3. представлены снятые при небольшом увеличении инструментального микроскопа (х32), различающиеся по внешнему виду контактные участки, которые образуются в процессе резания как наглядное подтверждение положений реальной схемы резания. Контактные участки измерялись на передней поверхности твердосплавного инструмента, после быстрого вывода инструмента из зоны резания с использованием специального приспособления и травления поверхности инструмента раствором «царской водки» [76].
Передняя поверхность резца Т5К10 после обработки стали 45 Реальная схема резания, в отличие от условной, рассматривает поведение срезаемых объемов металла в динамике как в зоне стружкообразования, так и в зоне контактных пластических деформаций во взаимосвязи с тепло-физическими свойствами контактируемых пар. Она позволяет объяснить многие взаимосвязанные явления в зоне резания и дает возможность использования установленных явлений для управления процессом резания.
Рассмотрение положений реальной схемы резания показывает, что равенство интенсивности деформационного упрочнения температурному разупрочнению соответствует положению максимума на кривой тк=(х) (рис. 4.3 в) и достижению в этой точке температуры 0д, именуемой температурой Дебая [76]. Температура Дебая является некоторым температурным интервалом, разделяющим состояние металла по характеру тепловых колебаний на две различные области, где характер теплового движения атомов качественно меняется. В работе [76] указывается, что закономерность изменения тк=(х) для различных сталей зависит не только от закономерности роста температуры Q=J(x), но и от температуры Дебая. В промышленных сталях на величину 0д значительное влияние оказывает наличие дисперсных металлических и неметаллических включений. С увеличением их содержания 0д увеличивается. На рисунках 4.4. а,б схематично показаны кривые нарастания температуры резания до температуры Дебая в зоне контактных пластических деформаций. Х,мм
Экспериментальное исследование влияния скорости резания на составляющие силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей
Как известно, при обработке конструкционных и легированных сталей при увеличении скорости обработки, составляющие силы резания снижаются, что взаимосвязано с уменьшением теплопроводности этих сталей, ростом температуры и, как следствие, уменьшением величины всех контактных участков. По иному изменяется коэффициент теплопроводности у сталей мар-тенситного, аустенитного и мартенситно-ферритного классов (стали типа 12Х18Н10Т, 03Х18Н9, 20Х13, 14Х17Н2, ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ): с ростом температуры при росте скорости резания коэффициент теплопроводности этих сталей увеличивается (рис.4.7). Согласно положениям реальной схемы резания, следует ожидать, что характер изменения составляющих силы резания этой группы сталей будет отличаться от того, что имеет место при обработке углеродистых и конструкционных сталей на противоположный. В целях проверки этого предположения и в целях разработки математических моделей для расчёта горизонтальных составляющих силы резания, необходимых, как было сказано выше, для расчёта параметров точности токарной обработки и расчёта зажимных усилий заготовок были проведены экспериментальные исследования влияния скорости резания на составляющие силы резания при токарной обработке коррозионностойких сталей. При этом ставилась задача корректировки математической модели расчёта главной составляющей Рz с целью обеспечения точности расчёта.
Изменение теплопроводности коррозионностойких сталей аустенитного, мартенситного, мартенситно-ферритного классов и конструкционных углеродистых сталей при увеличении температуры [31]
Экспериментальные исследования по влиянию скорости резания на составляющие силы резания при обработке серии коррозионностойких сталей твёрдосплавными инструментами проводились для условий получистового и чистового точения.
На рисунках (4.8 – 4.13) представлены графики зависимости составляющих силы резания от скорости резания при обработке коррозионностой-ких сталей, их отличительный характер по сравнению с обработкой конструкционных сталей, который не объясним с позиций условной схемы резания. В чём эти отличия?
Это «нестандартный» характер изменения горизонтальных составляющих силы резания Px и Py. При обработке стали 14Х17Н2 резцом ТТ7К12 и стали ЭИ961 резцом Т15К6, составляющая Px имеет тенденцию к увеличению своего значения по мере увеличения скорости резания. Составляющая Py не однозначно зависит от скорости резания в исследованном диапазоне скоростей 10-100м/мин. Сначала её значения снижаются, достигая минимума в районе 30 м/мин, затем проявляется чёткая закономерность увеличения вплоть до 100м/мин.(рис. 4.8; 4.9).
Изменение всех составляющих силы резания при обработке аустенит-ной стали 12Х18Н10Т безвольфрамовым сплавом ТН20 (рис. 4.12) в диапазоне скоростей 10-70 м/мин аналогично изменению сил резания при обработке стали ЭИ961 резцом ВК8 (рис.4.10) В исследуемом диапазоне скоростей их значение постоянно возрастает при увеличении скорости резания, что является следствием увеличения теплопроводности этих сталей при увеличении скорости резания (температуры, рис.4.7) и увеличения длины общего контакта С, (рис. 3.3а), определяющего величину горизонтальных сил. характер изменения составляющих силы резания в исследуемом скоростном диапазоне при смене марки инструментального материала.
Реальная схема резания объясняет «нестандартный» характер изменения горизонтальных составляющих силы резания проявлением особого вида контактного взаимодействия, наличием, так называемой зоны относительного застоя (рис.4.13), изменяющей по аналогии с наростом передний угол рез ца у в пределах его отрицательного значения. - Твёрдый сплав ВК6;
Существование зоны относительного застоя связано с определённым количественным отношением коэффициентов теплопроводности инструментального и обрабатываемого материала Xи/Xст. Чем меньше это отношение, тем шире скоростной диапазон существования этой зоны, если соотношение WAст больше, равно единице или незначительно меньше её, зона относительного застоя на образуется. В работе [76] подчёркивается, что зона относительного застоя это не нарост в классическом виде. Микротвёрдость её примерно вдвое меньше микротвёрдости нароста, в пределах её существует пластическое течение металла. «Размер» зоны относительного застоя изменяется при изменении скорости резания коррозионностойких сталей, т.к. изменяется отношение WAст. Образование застойной зоны, начиная с определённой скорости резания изменяет условный передний угол инструмента. Как следст вие, изменяется угол сдвига Р, что определяет характер изменения в первую очередь, горизонтальных составляющих силы резания. На представленных графиках (рис.4.8;4.9; 4.11) горизонтальная составляющая Py уменьшается в диапазоне скоростей 10-30 м/мин, минимальное её значение лежит в интервале скоростей 30-40 м/мин. При дальнейшем увеличении скорости резания (температуры в зоне резания) застойная зона исчезает и рост Py происходит за счёт увеличения размера участка упрочнения и участка разупрочнения (длины пластического контакта) и длины полного контакта С (см. формулу 4.1), что связано с увеличением коэффициента теплопроводности обрабатываемых сталей. Что касается обработки стали ЭИ961 резцом ВК8 (рис.4.10) и ау-стенитной стали 12Х18Н10Т (к = 16 Вт/мК) безвольфрамовым твёрдым сплавом ТН20 (к = 12 Вт/мК) (рис.4.12), то это тот случай когда отношение WAст (коэффициент теплоусвоения m) больше единицы и зона относительного застоя не образуется во всём диапазона исследуемых скоростей резания.
Анализ экспериментальных данных по обработке коррозионностойких сталей показывает, что причиной различного характера изменений составляющих силы резания является сочетание теплофизических свойств контактных пар. Отсюда следует вывод, что для повышения точности расчёта составляющих силы резания математические модели должны дополнительно содержать информацию о сочетании теплофизических свойств каждой новой контактной пары. Причём эта информация должна быть получена предварительно до начала обработки оператором станка или системой ЧПУ.
Под термином точность или надёжность расчёта понимается совпадение (в допустимых пределах, например 10-15%) рассчитанных на стадии проектирования параметров процесса лезвийной обработки с фактическими. Рассмотрение положений реальной схемы резания применительно для расчета составляющих сил резания показывает, что для повышения точности расчета необходимо кроме марки стали, геометрии режущего инструмента, глубины резания, скорости резания и подачи, учесть ряд дополнительных факторов, которые оказывают влияние на их расчётную величину. Со стороны твёрдосплавного инструмента такими факторами являются изменение химического и фазового состава твердого сплава, как между марками, так и внутри его марочного состава. Различные марки твёрдого сплава обладают различной теплопроводностью. Внутри марочного состава теплопроводность, как и режущие свойства, изменяется за счёт различного содержания в кобальтовой связке растворённого вольфрама (2-20%), что допускается техническими условиями на его изготовление [34].
Со стороны обрабатываемой стали химический, фазовый состав, структурное состояние стали определяют не только её прочностные характеристики, но и теплопроводность, которая через соотношение с теплопроводностью инструмента определяет уровень температуры в зоне резания и степень упрочнения стали в условиях высокоскоростного пластического деформирования. Вульф А.М. в работе [10] подчёркивает, что нестабильность физико-механических свойств обрабатываемых сталей одной и той же марки наблюдается тем больше, чем сложнее их химический состав. В качестве примера в главе 3 приведены широкие диапазоны значения прочности двух марок сталей ЭИ961 и 14Х17Н2, взятые из разных источников, рекомендованные как справочные величины для расчёта поправки на металл, используемые в математических моделях по расчёту силы резания.